日亞(ya) 公司和日本京都大學報告稱，已將光子晶體(ti) 麵發射激光器（PCSEL）的功能擴展到可見光譜綠光波段 [Natsuo Taguchi et al, Appl. Phys. Express, v17, p012002, 2024]。

據研究人員描述，與(yu) 藍光PCSEL或綠光邊發射激光二極管和垂直腔麵發射激光二極管相比，綠光PCSEL的發展目前還處於(yu) “原始水平”。不過，研究團隊希望這類器件能對材料加工、高亮度照明、顯示等應用產(chan) 生吸引力。

光子晶體(ti) （PC）使用折射率不同的材料的二維晶格結構來控製光學行為(wei) 。研究人員對PCSEL有一個(ge) 特別期待，即利用這種控製，使得輸出功率更高時更易實現單模行為(wei) ，從(cong) 而提高光束質量。

研究人員評論道：“通過利用光子晶體(ti) 的奇點（如Γ），PCSEL實現了垂直和橫向單模振蕩以及角度小於(yu) 0.2°的低發散輻射光束。”PCSEL還能將光功率分散到較大諧振器體(ti) 積上，從(cong) 而避免強光密度造成的災難性光損傷(shang) （COD）。

光子晶體(ti) 是在PCSEL外延材料的p-GaN接觸層中形成的，使用的填充材料是二氧化矽（SiO2），而不是以往研究中較為(wei) 常見的空氣（圖1）。生長有源層後再創造光子晶體(ti) ，就可以根據外延結構有源層的測得增益波長調整光子晶體(ti) 的晶格常數（a）。

圖1：基於(yu) GaN的綠光波長PCSEL的結構：（a）切割芯片的橫截麵；（b）（上）去除ITO電極後，p-GaN表麵光子晶體(ti) 的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；（下）雙晶格光子晶體(ti) 設計方案。

用SiO2填充晶格可避免漏電流穿過晶格孔側(ce) 壁的導電粒子，從(cong) 而使電流控製更加穩定，並減少寄生漏電流。SiO2還能提高光子晶體(ti) 層的有效折射率，使導模向光子晶體(ti) 移動，增強與(yu) 光場的耦合。

使用SiO2存在一個(ge) 缺點，即降低了光子晶體(ti) 與(yu) GaN的折射率對比度，使光子晶體(ti) 平麵內(nei) 的光波更難控製。為(wei) 了彌補這一缺陷，研究人員增大了晶格孔的直徑，並采用了雙晶格結構，一個(ge) 單元格由兩(liang) 個(ge) 在x和y方向上偏移0.4a的晶格孔組成。研究人員表示，這樣做是為(wei) 了“即使填充光子晶體(ti) 的p-GaN和SiO2間折射率對比度較低，也能獲得足夠的麵內(nei) 約束和耦合”。

光子晶體(ti) 的形成過程包括在III族氮化物外延材料上沉積氧化銦錫（ITO）透明導體(ti) ，然後用電感耦合等離子體(ti) 反應離子蝕刻（ICP-RIE）鑽出光子晶體(ti) 的晶格孔，再利用等離子體(ti) 化學氣相沉積（CVD）填充SiO2。ITO材料已從(cong) 結構中去除，隻留下一個(ge) 直徑為(wei) 300μm的圓形中心區域作為(wei) p-電極和p-GaN之間的導管。

研究人員報告稱，根據掃描電子顯微鏡成像，光子晶體(ti) 中的SiO2填充柱體(ti) 中心含有一個(ge) 小氣孔。研究團隊評論道：“氣孔形狀在光子晶體(ti) 平麵內(nei) 是均勻的，因此認為(wei) 氣孔的存在不會(hui) 對PCSEL的性能產(chan) 生重大影響。”

完成該器件的製作過程前，需要對n-GaN層進行台麵蝕刻，再沉積SiO2覆蓋台麵（中部ITO區域除外）；在頂部和底部表麵分別沉積p-電極和n-電極；並在底部圓形激光輸出區域塗上抗反射（AR）塗層。然後，器件被切割並翻轉到子支架上進行性能測量。

在以1kHz重複頻率產(chan) 生500ns脈衝(chong) 的5A注入電流下，光子晶體(ti) 晶格常數a為(wei) 210nm的器件實現了約50mW的最大輸出功率。其電光轉換效率（WPE）為(wei) 0.1%。電流密度為(wei) 3.89kA/cm2時達到激光閾值。斜率效率為(wei) 0.02W/A。輸出的激光為(wei) 線性偏振光，偏振比為(wei) 0.8。圓形遠場圖案（FFP）的發散角度為(wei) 0.2°。激光波長為(wei) 505.7nm。

光子晶體(ti) 晶格參數a在210nm和217nm之間變化時，可以對激光波長進行一定程度的調節（圖2）。217nm器件的最大發射波長為(wei) 520.5nm。有源層的增益峰值約為(wei) 505nm，因此波長較長時更難產(chan) 生激光，導致閾值隨光子晶體(ti) 晶格常數的增大而增大。

圖2：具有不同光子晶體(ti) 晶格常數的器件的激光光譜。

研究人員還報告稱，一些光子晶體(ti) 晶格常數較高的器件發出帶線形遠場圖案的平帶激光。研究團隊將這類平帶激光歸因於(yu) 光子晶體(ti) 結構的波動，以及光子晶體(ti) 相對較低的耦合係數。

研究人員評論道：“通過優(you) 化光子晶體(ti) 層和外延晶體(ti) 層，可以改善電光轉換效率。對光子晶體(ti) 而言，通過優(you) 化幾何結構，有望實現更強的麵內(nei) 耦合和垂直輻射。設計外延晶體(ti) 層時，應最大限度提高光子晶體(ti) 區域基礎導模的強度，同時還要考慮注入載流子的非發光損耗。”

未來研究的一個(ge) 迫切需要是實現連續波運行。

以上內(nei) 容來自雅時化合物半導體(ti)